羅鵬飛 江海斌 譚尹豪 龍時勝

(1.湖南天楚資源科技有限公司, 湖南 長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長沙 410004)

早期的森林健康著重于森林有無病蟲害及火災(zāi)威脅，隨著森林健康理念的深入，我國學(xué)者對于森林健康的概念更趨向于這樣的表達(dá)，即森林資源既能滿足人類合理的需要, 又能保持自身的穩(wěn)定性和健康發(fā)育[1]。20 世紀(jì)70 年代，國外林業(yè)專家就提出了森林健康的概念，美國于2003 年制定了全國性的森林健康發(fā)展戰(zhàn)略[2]。從2001 年開始，我國國家林業(yè)局與美國林務(wù)局合作，先后在我國9 個省(市)建立了中美合作森林健康試驗(yàn)示范點(diǎn)，開始了森林健康經(jīng)營實(shí)踐[3]，森林健康也逐步受到人們的重視。

森林健康的主要研究內(nèi)容是定義其健康狀況，給予相應(yīng)的評價并落實(shí)到具體的指標(biāo)體系，進(jìn)而通過合理的森林經(jīng)營措施提高健康狀況[4]。目前森林健康的評價方法很多，包括生物指示法[5]、層次分析法[6]、主成分分析法[7]等。在森林評價中應(yīng)用生物指示法可以克服林木監(jiān)測周期過長的問題，具有簡單高效的優(yōu)勢，但對于指示物種的篩選目前并沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)；層次分析法是森林健康評價應(yīng)用最普遍的方法，但在一定程度上的主觀性容易帶來不確定性；主成分分析法通過將多個指標(biāo)簡化為較少的幾個主成分，在克服主觀性的同時簡化了評價結(jié)構(gòu)，是一種較為穩(wěn)定的評價方法，但對樣本量的要求比較大。據(jù)統(tǒng)計，肇慶市的研究樣本量達(dá)到了25 130 個，滿足主成分分析法的應(yīng)用條件，因此考慮選用主成分分析法對肇慶市的森林健康狀況進(jìn)行評價。

目前，大多數(shù)研究主要運(yùn)用主成分分析法計算出各林分的綜合健康指數(shù)并進(jìn)行健康狀況排名，如趙小亮等[8]采用綜合健康指數(shù)對承德縣8 種不同林型的林地進(jìn)行了健康排名，張佳音[9]運(yùn)用綜合得分對木蘭圍場北溝林場的林分進(jìn)行健康排名。但是，對林分的健康狀況進(jìn)行簡單的排名并沒有利于森林經(jīng)營者采取合理有效的經(jīng)營措施，因此有必要對森林健康狀況進(jìn)行等級劃分，以針對不同健康等級林分采取相應(yīng)的經(jīng)營措施。目前，結(jié)合主成分分析法的綜合得分與聚類分析的等級分類來進(jìn)行健康等級劃分的研究較少，因此本研究考慮利用主成分分析與聚類分析的方法對肇慶市的森林健康狀況進(jìn)行評價，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對比分析不同林分起源、不同森林類型的健康狀況，以求合理有效的評價肇慶市的森林健康狀況。

1 研究區(qū)概況

肇慶市位于廣東省中西部、西江的中游，地理位置為22°47′～24°24′N，111°21′～112°52′E。地勢西北高，東南部低，地貌以中低山丘陵為主，土壤類型主要為赤紅壤。屬南亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫21.2℃，年平均降雨量約1 650 mm，年蒸發(fā)量1 300 mm 以上，無霜期310～345 d[10]。境內(nèi)動植物資源豐富，鼎湖山和封開縣黑石頂兩個自然保護(hù)區(qū)更是分布有大量的珍稀瀕危動植物，如格木Erythrophleum fordii、穗花杉Amentotaxus argotaenia、觀光木Michelia odora等。同時，境內(nèi)的人工林面積也分布廣泛，如馬尾松Pinus massoniana和杉木Cunninghamia lanceolata面積占比為21.9%、7.0%，桉樹Eucalyptus robusta面積達(dá)到29.1%。

2 材料與方法

2.1 數(shù)據(jù)來源

研究數(shù)據(jù)來源于肇慶市森林資源二類調(diào)查數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中篩選出面積大于1 000 m2、郁閉度大于0.2、單位面積蓄積大于10 m3且林分平均胸徑不小于5 cm 的森林小班共25 130 個，主要分布在懷集縣（31.16%）、封開縣（21.71%）、德慶縣（15.17%）、廣寧縣（13.18%）和高要市（10.28%）等地。小班內(nèi)測量的主要立地因子包括海拔、坡度、坡向、坡位以及土壤等。主要測樹因子包括森林起源、平均胸徑、平均高、齡組、優(yōu)勢樹種生物量等），肇慶市森林小班的統(tǒng)計特征見表1。

表1 肇慶市森林小班的統(tǒng)計特征Table 1 Statistical characteristics of samples in Zhaoqing city

2.2 研究方法

2.2.1 評價指標(biāo)體系的構(gòu)建 森林健康評價的主要研究內(nèi)容是運(yùn)用具體的指標(biāo)體系來定義森林的健康狀況。指標(biāo)體系構(gòu)建的好壞將直接影響評價結(jié)果的準(zhǔn)確性，因此評價指標(biāo)的選擇[11-13]需要以評價目標(biāo)為基礎(chǔ)，遵循科學(xué)性、整體性、導(dǎo)向性、尺度適宜性以及可操作性等原則，根據(jù)研究區(qū)的性質(zhì)和要求構(gòu)建科學(xué)、合理的評價指標(biāo)體系。

結(jié)合肇慶市森林資源的現(xiàn)狀，參考《森林健康經(jīng)營與生態(tài)系統(tǒng)健康評價規(guī)程》[14]，研究選取12 項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)建肇慶市森林健康評價指標(biāo)體系。各評價指標(biāo)的含義與測度如下。

（1）單位面積蓄積量[15]：衡量森林資源總體水平和總體規(guī)模的基本指標(biāo)，單位面積蓄積量的大小標(biāo)志著林地生產(chǎn)力的高低及經(jīng)營措施的效果。

（2）林分郁閉度[16]：指林分中樹冠投影面積與林地面積之比。郁閉度過大過小都會影響林木的生長發(fā)育，郁閉度過小，導(dǎo)致光照直射過大、持續(xù)時間過長，會引起土壤濕度變小且植物蒸騰作用過大，不利于植物的生長；郁閉度過大，會遮擋大部分陽光導(dǎo)致光照強(qiáng)度過弱，不利于林下層植被生長。

（3）天然更新狀況：影響森林生態(tài)系統(tǒng)生長演替的關(guān)鍵因素。一般用幼樹幼苗的數(shù)量來表述天然更新的狀況，幼樹幼苗的數(shù)量越多，說明該林分天然更新狀態(tài)越好，活力性越高。天然更新等級一般分為良好、中等、不良3 個等級。

（4）群落結(jié)構(gòu)：一般由喬木層、下木層和地被層組成，合理的群落結(jié)構(gòu)能減弱群落間競爭，是森林生態(tài)系統(tǒng)健康的重要體現(xiàn)。根據(jù)群落層次的特征，群落結(jié)構(gòu)可劃分為簡單結(jié)構(gòu)、較完整結(jié)構(gòu)、完整結(jié)構(gòu)3 類。

（5）林層結(jié)構(gòu)[17]：指林分的林冠層次結(jié)構(gòu)，分單層和復(fù)層兩類。森林的林層結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，物種多樣性就越高，群落的結(jié)構(gòu)性就越強(qiáng)，林分自我調(diào)節(jié)能力就越強(qiáng)，森林越健康。

（6）齡級結(jié)構(gòu)：齡級是對樹木年齡的分級，合理的齡級結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)森林有序利用的基礎(chǔ)。根據(jù)林分生長發(fā)育階段，林分可劃分為幼齡林、中齡林、近熟林、成熟林和過熟林等5 個齡組。

（7）森林災(zāi)害等級：森林災(zāi)害（主要指火災(zāi)和病蟲害）的發(fā)生會嚴(yán)重破壞森林生態(tài)資源、不利于有害生物的可持續(xù)控制、破壞森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，直接影響森林的健康發(fā)展，甚至對林業(yè)經(jīng)濟(jì)造成嚴(yán)重?fù)p失。森林災(zāi)害等級一般可劃分為無、輕、中、重4 個等級。

（8）林下植被蓋度：反映群落的垂直結(jié)構(gòu)及復(fù)雜程度，豐富的林下植被能促進(jìn)養(yǎng)分的有效化，減少地面徑流，減輕水土沖刷、流失危害，并且在一定程度上能起到提高土壤肥力作用，有利于森林群落的穩(wěn)定性。

（9）森林自然度：指森林群落類型的現(xiàn)狀與原鄉(xiāng)土植物群落之間的差異程度[17]。以森林群落類型或種群結(jié)構(gòu)特征在次生演替中的階段為基礎(chǔ)，從森林起源、森林類型、林分人為干擾強(qiáng)度等方面考慮，可把森林自然度分為5 個等級。

（10）株數(shù)密度：指單位面積上的樹木株數(shù)，直接反映每株林木平均占有的林地面積和營養(yǎng)空間的大小。

（11）林地質(zhì)量：能夠確定林地的生產(chǎn)力，林地質(zhì)量等級越高，說明林木的生產(chǎn)潛力越大。依據(jù)林地質(zhì)量等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，可劃分為Ⅰ～Ⅴ共5個等級。

（12）凋落物厚度：森林養(yǎng)分的歸還量和循環(huán)速率影響林地地力的維持和提高，森林凋落物是森林養(yǎng)分循環(huán)中養(yǎng)分歸還的主要途徑之一[18]。一定厚度的凋落物可以有效抑制土壤內(nèi)水分蒸發(fā)速度，有利于減小地表徑流的平均流速從而進(jìn)行水土保持，并改善土壤性質(zhì)，增加降水入滲量等功能，有利于林地持續(xù)性發(fā)展。

2.2.2 森林健康評價 肇慶市森林健康的具體評價方法為，運(yùn)用主成分分析方法對12 個評價指標(biāo)進(jìn)行降維，選取主成分指標(biāo)，計算出各森林小班的綜合得分值，并對不同森林類型的綜合得分值進(jìn)行方差分析，然后利用聚類分析對各森林小班的健康等級進(jìn)行分類。

（1） 主成分分析 由于森林評價指標(biāo)眾多，指標(biāo)之間如果存在相關(guān)性就可能導(dǎo)致評價對象反映的信息重復(fù)，因此研究運(yùn)用主成分分析方法[19]對評價指標(biāo)進(jìn)行篩選，將相關(guān)的指標(biāo)簡化為獨(dú)立的主成分，以達(dá)到降維的目的。

具體步驟：對各指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，得到標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)矩陣；計算各主成分的特征值、貢獻(xiàn)率；選取特征值大于1 的主成分，計算各主成分的特征向量；計算主成分的合成變量值，即綜合健康指數(shù)，計算公式為：

式中，Y為主成分合成變量值；ai為主成分貢獻(xiàn)率；Zi為主成分分析因子得分;n為主成分個數(shù)。

（2）基于系統(tǒng)聚類的等級劃分 聚類分析指將個體或?qū)ο蠓诸悾沟猛活愔械膶ο笾g的相似性比其他類的對象的相似性更強(qiáng)，它可以對無標(biāo)簽的數(shù)據(jù)進(jìn)行人為分類。聚類分析的方法很多，如系統(tǒng)聚類法、模糊聚類法、K-Means 算法[20]等，其中系統(tǒng)聚類法是較經(jīng)典的聚類算法之一，該算法的效率高，可以對連續(xù)樣品進(jìn)行聚類，因此研究選取系統(tǒng)聚類法對綜合健康指數(shù)進(jìn)行聚類，依據(jù)《廣東省森林資源二類調(diào)查與森林生態(tài)狀況調(diào)查工作操作細(xì)則》[21]將森林健康等級劃分為4 類。

系統(tǒng)聚類是先將各樣品分成類，每個樣品自成一類，然后每次將具有最小距離的兩類合并，合并后重新計算類與類之間的距離，這個過程一直繼續(xù)到所有樣品歸為一類為止。具體步驟為：（1）計算n個樣品兩兩之間的距離，初步構(gòu)建n個類；（2）合并距離最近的兩類為新類；（3）重復(fù)計算新類與各類的距離，當(dāng)類個數(shù)為1 時停止計算；（4）繪制系統(tǒng)聚類圖，確定分類個數(shù)。以上分析均采用SPSS24.0 軟件進(jìn)行分析統(tǒng)計。

3 結(jié)果與分析

3.1 主成分分析結(jié)果

對肇慶市25 130 個森林小班的各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，計算各主成分的特征值及貢獻(xiàn)率，分析主成分的載荷矩陣，并計算各主成分的因子得分及綜合得分。

3.1.1 確定主成分個數(shù) 由表2 的結(jié)果可知，特征值大于1 的主成分共有5 個，5 個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到88.1%，可以充分的反映原變量的信息，因此選取前5 個主成分為森林健康評價的綜合評價指標(biāo)。

表2 主成分特征值與方差貢獻(xiàn)率Table 2 Principal component eigenvalue and variance contribution rate

3.1.2 主成分的載荷矩陣 進(jìn)一步分析5 個主成分中各因子的載荷矩陣，由表3 可知，第一主成分上具有較高載荷的變量包括森林群落結(jié)構(gòu)、林層結(jié)構(gòu)、林下植被蓋度以及枯枝落葉厚度，這4個指標(biāo)主要反映林分的結(jié)構(gòu)性問題；第二主成分上具有較高載荷的變量包括單位面積蓄積、郁閉度以及天然更新等級，這3 個指標(biāo)主要反映林分的活力性問題；第三主成分上具有較高載荷的變量包括森林災(zāi)害等級和自然度，這2 個指標(biāo)主要反映林分的穩(wěn)定性問題；第4 主成分上具有較高載荷的變量包括齡組和每公頃株樹，這2 個指標(biāo)主要反映林分的持續(xù)性問題；第5 主成分上具有較高載荷的變量為林地質(zhì)量等級，主要反映林分的生產(chǎn)性問題。由此可知，5 個主成分分別從林分的結(jié)構(gòu)性、活力性、穩(wěn)定性、持續(xù)性以及生產(chǎn)性共5 個方面反映了林分的森林健康狀況，具有一定的代表性和可操作性。

表3 各主成分因子載荷矩陣Table 3 Load matrix of each principal component factor

3.2 健康等級劃分及評價

根據(jù)確定的5 個主成分的因子得分及貢獻(xiàn)率,計算各森林小班的主成分合成變量值Y，即綜合健康指數(shù)。同時，采用系統(tǒng)聚類方法將綜合健康指數(shù)聚類為4 類，依次為健康(0.29,1.35]、亞健康(-0.45,0.29]、中健康(-1.35,-0.45]、不健康[-2.01,-1.35]，綜合健康指數(shù)分布與聚類結(jié)果如圖1。由圖1-a 可知，綜合健康指數(shù)的分布范圍介于（-2.01，1.35）；林分的健康等級隨著健康指數(shù)的增加而提高；肇慶市森林小班的平均綜合健康指數(shù)為0.12，林分平均水平上呈亞健康狀況。由圖1-b 可知，肇慶市處于健康狀況的森林小班數(shù)量占總樣本的40.4%，占比最高；健康與亞健康的森林小班數(shù)量占總樣本的76.5%，而不健康的森林小班數(shù)量僅占總樣本的1.6%；同時，肇慶市森林小班健康狀況的面積占比與數(shù)量占比情況基本相同，說明肇慶市的森林整體健康狀況較好。

圖1 肇慶市綜合健康指數(shù)與健康等級Fig.1 Comprehensive health index and health grade in Zhaoqing city

3.3 肇慶市各類型林分的健康評價

3.3.1 不同森林起源的林分健康狀況 依據(jù)森林起源的不同，將肇慶市的森林小班劃分為天然林與人工林，采用方差分析方法對這2 類林分不同健康等級的綜合健康指數(shù)進(jìn)行對比分析。由圖2可知，在不同健康等級中，天然林的平均綜合健康指數(shù)均顯著高于人工林（P＜0.05），說明天然林的森林健康總體狀況優(yōu)于人工林。

圖2 天然林與人工林的森林健康狀況對比分析Fig.2 Comparative analysis of forest health status between natural and artificial forest

3.3.2 不同森林類型的林分健康狀況 依據(jù)森林類型的不同，將肇慶市的森林小班劃分為闊葉林、針闊混交林和針葉林，采用方差分析方法對這3類林分不同健康等級的綜合健康指數(shù)進(jìn)行對比分析。由圖3 可知，各森林類型中處于不健康、中健康與健康等級狀況的林分平均綜合健康指數(shù)排名為闊葉林＞針闊混交林＞針葉林,且部分林分類型之間的健康指數(shù)具有顯著差異（P＜0.05），說明闊葉林的林分整體健康狀況優(yōu)于針闊混交林和針葉林。

圖3 不同森林類型林分的森林健康狀況對比分析Fig.3 Comparative analysis of forest health status in different forest types

4 結(jié)論與討論

采用主成分分析與系統(tǒng)聚類的方法對肇慶市森林健康狀況進(jìn)行評價，確定5 個主成分（林分的結(jié)構(gòu)性、活力性、穩(wěn)定性、持續(xù)性、生產(chǎn)性）的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到88.1%，能較全面的反映森林的健康狀況。將綜合健康指數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類后，確定了肇慶市研究樣本中處于健康與亞健康狀況的林分面積達(dá)到76.5%，森林狀況整體較健康。同時，肇慶市天然林的森林健康狀況優(yōu)于人工林，闊葉林的森林健康狀況＞針闊混交林＞針葉林。

森林健康評價的方法較多，主成分分析是常用的一種方法[22]。本研究對可能影響森林健康狀況的12 個評價指標(biāo)進(jìn)行因子分析后，共確定了5個主成分，各評價指標(biāo)在5 個主成分中均具有一定載荷，無法用單一的指標(biāo)代替某一主成分進(jìn)行森林健康評價。武巧英[23]運(yùn)用主成分分析法對鷲峰國家森林公園進(jìn)行森林評價時，同樣發(fā)現(xiàn)各評價指標(biāo)在各主成分中均具有載荷。本文的研究結(jié)果表明森林的健康狀況不是由單一的評價指標(biāo)決定的，而是林分內(nèi)多個影響因素共同作用、相互聯(lián)系的結(jié)果。

一般來說，天然林的森林健康程度優(yōu)于人工林[24]，本研究的結(jié)論也證實(shí)了這一點(diǎn)。因?yàn)樘烊涣种饕蚤熑~混交林和針闊混交林為主，這部分林分受到當(dāng)?shù)卣膰?yán)格保護(hù)，受人為干擾的影響較少；且林分內(nèi)群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜，穩(wěn)定性更好；林分內(nèi)樹木分化程度較高，樹木之間的競爭較弱；具有較強(qiáng)抗病蟲害與自然災(zāi)害的能力。而人工林樹種結(jié)構(gòu)單一，樹木之間的競爭較強(qiáng)，同時受人為干擾嚴(yán)重，抵御災(zāi)害能力較弱。